1.4 Núcleo de paquetes evolucionado EPC

Transcripción

1 Capitulo Flexibilidad de Espectro La flexibilidad en el manejo del espectro radica en tres factores fundamentales: operación en bandas no pareada y pareada respectivamente, ancho de banda variable de la portadora y operación en múltiples bandas de frecuencia. La operación en bandas pareadas y no pareadas permite que LTE pueda trabajar en esquemas dúplex por división de frecuencia FDD (para la banda pareada) o en esquemas dúplex por división del tiempo TDD (para banda no pareada), esta característica agrega adaptación a diversos esquemas regulatorios de asignación de bandas de frecuencias. La segunda se refiere a la capacidad de trabajar en bandas portadoras que van desde los 1.4MHz hasta los 100 MHz esta última capacidad se logra utilizando agregación de portadora mencionada anteriormente. Y la última se puede decir que complementa la flexibilidad de LTE de adaptarse a diversos ambientes regulatorios y de mercado ya que puede trabajar en variadas bandas de frecuencia asignadas por la UIT para IMT, en el anexo B se pueden encontrar las bandas de operación de la E-UTRA la Figura 1-17 explica las dos primeras característicass de forma gráfica. Figura Flexibilidad de espectro de LTE (15). 1.4 Núcleo de paquetes evolucionado EPC Para que LTE pueda lograr los exigentes requerimientos de IMT-Avanzado no solo se necesita una E-UTRAN bien refinada es necesario que se tenga una arquitectura de red móvil completa que permita obtener los rendimientos esperados (hasta 1Gpbs en el canal descendente y hasta 500Mbps en el canal ascendente). Toda la arquitectura LTE/SAE y EPC está pensada para reducir el número de elementos de red permitiendo una disminución considerable en las latencias y contribuyendo a obtener unos anchos de banda excepcionales. Esta arquitectura relativamente simple, comparada con una arquitectura 3G/UMTS, y combinada con la E-UTRAN permite ofrecer servicios de alto desempeño que requieren calidad de servicio QoS, esto incluye todos los servicios de video que se pueda imaginar y por supuesto lo servicios de voz, siendo LTE una tecnología IP permite aplicar estar característica ya común en redes de fibra óptica que operan en Multi Protocol Label Switching MPLS. La Figura 1-18 muestra de una manera general la arquitectura de red LTE. Figura Arquitectura de red LTE (16)

2 22 Capítulo 1 La arquitectura de red EPC debe tener las siguientes características: Garantizar el acceso a sistemas 3GPP y sistemas que no lo son. Debe ser escalable sin comprometer el rendimiento del sistema Que los equipos de usuario UE puedan pasar de un estado de espera a un estado de transmisión o recepción en menos de 200ms. La conectividad básica IP se debe establecer durante la fase de acceso inicial. Se debe garantizar conectividad IPv4 e IPv6 La trama de autenticación debe ser independiente de la tecnología de acceso especifica Para la configuración de la conectividad IP con QoS el número de pasos de señalización debe ser minimizado El elemento de red responsable de la movilidad debe garantizar el handover entre los diversos modos de acceso en el sistema 3GPP evolucionado Equipo de usuario (EU): Es el dispositivo que el usuario final utiliza para sus comunicaciones. Hasta hace muy poco los dispositivos móviles eran equipos dedicados de voz y servicios agregados luego se comenzaron a añadir elementos que le permitían establecer comunicaciones de banda ancha estos equipos en la actualidad reciben el nombre comercial de teléfonos inteligentes (smartphones). También se pueden encontrar otros equipos con comunicaciones móviles como los computadores portátiles. El dispositivo móvil tiene el modulo de identificación de suscriptor universal USIM, el USIM es una aplicación puesta en una tarjeta inteligente removible llamada tarjeta de circuito integrado universal UICC. La USIM permite que el usuario se identifique y autentique para proteger las comunicaciones de radio E-UTRAN Nodo B (e-nodo B): Es una estación base que se encarga de controlar todo lo relacionado con la transmisión de radio en el sistema LTE/SAE. Tiene las siguientes funciones Incluye todas las funciones la RNC (Radio Network Controller) tradicionalmente utilizada en una arquitectura 3G. Se encarga de comprimir los encabezados, cifrar y transmitir los paquetes Entidad de gestión de movilidad MME: Este dispositivo se encarga solo de señalización. Su principal función es gestionar la movilidad de los usuarios. Tiene las siguientes funciones: Autenticación y autorización Negociaciones de seguridad Señalización de la arquitectura de red especifica Servicio de puerta de enlace S-GW: De una manera muy general la función del S-GW se encarga de gestionar los túneles lógicos y la conmutación en el plano de usuario (UP). Su principal función es asignar recursos basados en las solicitudes de distintos equipos de red como las MME. PDN-GW o PCRF. Durante los procesos de movilidad la MME controla el S-GW para conmutar los túneles de un enb a otro. La MME también solicita al S-GW proveer recursos de túneles para el reenvío de datos de un nodo e-nb a otro cuando el UE realiza el handover. Mientras el UE este estado disponible (idle) todos los recursos asignados se liberan.

3 Capitulo Puerta de enlace PDN (PDN-GW): La puerta de enlace de los paquetes de datos PDN-GW, está en el borde de enrutamiento entre la EPS y las redes de paquetes de datos externas. Es el punto de referencia de movilidad de más alto nivel en el sistema y normalmente es el punto IP de acoplamiento con el UE. El PDN-GW asigna la dirección ip al equipo de usuario el cual permite que el UE tenga acceso a todos los servicios y se puede comunicar con otras redes de paquetes de datos Función de recursos de carga y políticas (PCRF): Se encarga de tomar decisiones sobre cómo administrar los servicios en términos de QoS y proveer información al PDN-GW. Ese dispositivo normalmente es ubicado con los otros equipos de red en los centros de conmutación del operador Servidor de suscripción local (HSS): Es la base de datos de todos los suscriptores permanentes. También graba la localización del usuario en el nivel de nodoo de control de red de visitantes, tal como el MME. El HSS almacena una copia del perfil de los usuarios que contiene información acerca de los servicios aplicables al usuario Servidores de dominio: Incluye subsistemas que pueden incluir diferentes nodos lógicos, a continuación se describen los tipos de subsistemas. Servicios de operador basados en IMS: el subsistema multimedia IP IMS es un servicio que el operador puede usar para proveer servicios usando el protocolo de inicio de sesión SIP Servicios de operador no basados en IMS. El operado puede ubicar un servidor cualquiera y los usuarios se conectan a este para descargar cualquier aplicativo. Otros servicios no provistos por el operador móvil como los provistos a través de internet Calidad de servicio en LTE: La calidad de servicio QoS es una característica fundamental para las redes IP, en la arquitectura SAE la calidad de servicio es llamada barreras EPS y son establecidas entre el UE y el PDN-GW. Cada barrera EPS se asociaa a un perfil de calidad de servicio. La Figura 1-19 muestra tres flujos de datos con diferentes características de calidad de servicio. Figura Procedimientos de calidad en servicio en la arquitectura LTE/SAE (16).

4 24 Capítulo Arquitectura de LTE con otras tecnologías Aunque puede ocurrir seria un caso muy extraño que se implemente una RAN LTE pura por lo tanto es claro que LTE debe coexistir e interoperar con otras tecnologías ya sean 3GPP o no, por suerte desde su etapa de diseño ya se tiene previsto esto y está garantizada su compatibilidad con otra tecnologías la Figura 1-20 muestra esta interacción de un forma clara. Figura Arquitectura de alto nivel de un sistema evolucionado (17) GERAN Gb Iu SGSN GPRS Core PCRF UTRAN S7 Rx+ Evolved RAN S1 Evolved Packet Core S3 MME UPE S5a S4 3GPP Anchor IASA S5b S2a SAE Anchor S6 S2b epdg HSS SGi WLAN 3GPP IP Access Op. IP Serv. (IMS, PSS, etc ) Trusted non 3GPP IP Access WLAN Access NW * Colour coding: red indicates new functional element / interface 1.5 Concordancia entre IMT-Avanzado y LTE. Los sistemas IMT-Avanzados son sistemas que incluyen tecnologías de IMT que van más allá de IMT-2000 (18). Tales sistemas brindan acceso a una gran cantidad de servicios de telecomunicaciones incluyendo servicios móviles avanzados soportados por redes móviles y fijas. IMT avanzado soporta alta y baja movilidad, también tiene características para soportar aplicaciones móviles de alta calidad en un rango amplio de servicios y plataformas. A continuación se listan las principales características de IMT- Avanzado Un alto grado de homogeneidad y funcionalidad a nivel mundial mientras mantiene la flexibilidad para soportar un amplio rango de servicios y aplicaciones a un costo eficiente Compatibilidad de servicios entre IMT y redes fijas Interoperabilidad con otros sistemas de radio Servicios móviles de alta calidad Equipos de usuario para ser usados a nivel mundial Equipos, servicios y aplicaciones amigables con el usuario Capacidad de roaming internacional Velocidades pico de datos mejoradas para soportar servicios y aplicaciones avanzadas (100Mbps para alta movilidad y Gbps para baja movilidad)

5 Capitulo 1 25 De acuerdo con (19), IMT-avanzado puede ser abordado desde múltiples perspectivas, incluyendo usuarios, fabricantes, operadores de red y proveedores de contenido y servicio, de acuerdo con esto es claro que IMT avanzado puede ser aplicado en una variedad de escenarios, tecnologías y capacidades de servicios. Los criterios de evaluación de acuerdo con (20), para la selección de RITs y SRITS, tecnología de interfaz de radio o un conjunto de tecnologías de radio respectivamente son: Eficiencia espectral de la celda: La eficiencia espectral de la celda n, se define como el throughput total de todos los usuarios dividido por el ancho de banda del canal y dividido por el número de celdas. Para esta medida el ancho de banda del canal se define como el ancho de banda efectivo por el factor de reúso de frecuencia, siendo el ancho de banda efectivo el ancho de banda apropiadamente normalizado considerando las tasas de descarga y de subida. Sea X i el numero de bits recibidos correctamente por el usuario i (en el canal descendente) o del usuario i (en el canal ascendente) en un sistema que comprende una población de N usuarios y M celdas. Además W denota el ancho de banda del canal y T el tiempo sobre el cual los bits de datos se reciben. La eficiencia espectral de la celda n estará entonces definida por la ecuación (1-1). La Tabla 1-7 muestra los resultados obtenidos por LTE-avanzado, lanzamiento 9. Tabla 1-7. Eficiencia espectral de celda (1-1) Enlace descendente Enlace ascendente (bit/s/hz/cell) Ambiente de la prueba (bit/s/hz/cell) LTE-Avanzado LTE-Avanzado IMT-Avanzado TDD 20 FDD 21 IMT-Avanzado TDD 22 FDD 23 Interiores (Indoor) Microcelular Urbano de cobertura base Alta velocidad El detalle de los resultados y la metodología se puede consultar en el Anexo C Eficiencia espectral pico Esta medida es la velocidad de datos teórica más alta (Normalizada por el ancho de banda) lo cual significa que son los bits de datos recibidos, asumiendo condiciones libres de error aplicados a una estación móvil simple, cuando todos los recursos de radio disponibles para la dirección del enlace correspondiente son utilizados. Los requerimientos mínimos para la eficiencia espectral pico son: 20 MU-MIMO configuración 4 x 2. Se toma el promedio de los valores obtenidos con la variación de la cantidad de símbolos OFDM L utilizados, ver anexo C para el detalle de la metodología de la prueba 21 Ibid 22 SU-MIMO configuración 2 x 4 23 Ibid 24 CoMP 2 x 4 25 Ibid 26 CoMP 2 x 4 27 Ibid

6 26 Capítulo 1 Tabla 1-8 Eficiencia espectral pico Eficiencia espectral pic Requerimiento Enlace descendente Enlace Ascendente TDD FDD TDD FDD UIT-R LTE Los requerimientos de la UIT-R ya se lograron desde el lanzamiento 8 de LTE y las anteriores medidas utilizan 4 y 2 capas de multiplexación, es decir cuatro canales de transmisión simultánea para el enlace descendente y dos para el enlace ascendente respectivamente, el detalle de la prueba se encuentra en el anexo C Ancho de banda Ancho de banda escalable es la habilidad de operar en diferentes asignaciones de ancho de banda. LTE soporta hasta 100 MHz de ancho de banda lo que supera ampliamente el requerimiento de de 40MHz establecido para IMT-avanzado Eficiencia espectral de usuario en los bordes de la celda El throughput de usuario normalizado se define como el throughput de usuario promedio, el ancho de banda se define tal cual como en eficiencia espectral de celda, luego la eficiencia espectral de usuario en el borde de la celda es el 5% de la función de distribución acumulada CDF del throughput de usuario normalizado. La Tabla 1-9 muestra la eficiencia espectral de usuario en los bordes de celda γ i para varios ambientes de prueba. Con X i denotando el numero de bits recibidos correctamente del usuario i, T i el tiempo activo de sesión para el usuario i y ω el ancho de banda del canal. 1-2 Tabla 1-9. Eficiencia espectral de usuario en el contorno de la celda. Enlace descendente (bit/s/hz) Enlace ascendente (bit/s/hz) Ambiente de la LTE-Avanzado LTE-Avanzado prueba IMT-Avanzado TDD 28 FDD 29 IMT-Avanzado TDD 30 FDD 31 Interiores (Indoor) Microcelular Urbano de cobertura base Alta velocidad El detalle de la prueba y la metodología se puede consultar en el anexo C 28 MU-MIMO configuración 4 x 2. Se toma el promedio de los valores obtenidos con la variación de la cantidad de símbolos OFDM L utilizados, ver anexo C para el detalle de la metodología de la prueba 29 Ibid 30 SU-MIMO configuración 2 x 4 31 Ibid 32 CoMP 2 x 4 33 Ibid 34 CoMP 2 x 4 35 Ibid

7 Capitulo Latencia - Latencia en el plano de control Típicamente es medida como el tiempo de transición entre diferentes modos de conexión por ejemplo de preparado a activo, el tiempo de transición debe ser menor de 100ms, LTE tiene un tiempo de 50 ms - Latencia del plano de usuario Conocida como el retardo de transporte, se define como el tiempo de transito en un solo sentido entre un paquete SDU estando disponible en la capa ip en la estación base/terminal de usuario. IMT-avanzado define este tiempo para que sea menor a 10ms bajo condiciones sin carga tanto en el canal descendente como ascendente Movilidad Se definen las siguientes clases de movilidad, resumidas también en la Tabla 1-10 y Tabla Estacionaria: 0 Km/h - Peatonal: 0<0Km/h hasta 10 Km/h - Vehicular: 10 a 120 Km/h - Alta velocidad vehicular: 120 a 350 Km/h Tabla Clases de movilidad Clases de movilidad soportadas Ambiente de prueba Interiores Microcelular Urbano de cobertura básica Estacionaria Estacionaria Estacionaria, peatonal peatonal y peatonal y vehicular hasta vehicular 30Km/h Alta velocidad Alta velocidad vehicular, y vehicular Tabla Velocidades de datos del enlace del canal de tráfico Ambiente UIT-R LTE TDD FDD Interiores Microcelular Urbano de cobertura básica Alta velocidad Dado que LTE cumple con los requerimientos de LTE avanzado desde su lanzamiento 8 las pruebas anteriores fueron hechas con una configuración 1 x 4, para ver el detalle de la prueba remitirse al anexo C Capacidad VoIP En esta medida se asume un códec de 12.2 Kbps con un factor de actividad de 50%, tal que el porcentaje de usuarios en corte es menor al 2% lo que significa que un usuario tiene un 98 % de recepción de los paquetes con un retardo máximo de 50ms, ver Tabla En el lanzamiento 8 de LTE se logra alcanzar los requerimientos de UIT-R por lo tanto las prueba realizada utiliza un configuración 4 x 2.

8 28 Capítulo 1 Tabla Capacidad VoIP Handover Ambiente UIT-R LTE TDD FDD Interiores Microcelular Urbano de cobertura básica Alta velocidad El tiempo de interrupción de handover se define como el tiempo en el cual el terminal de usuario no puede intercambiar paquetes en el plano de usuario, normalmente se asume como cero, pero debe mantenerse bajo los parámetros descritos en la Tabla Tabla 1-13 Tiempos de interrupción del handover Tipo de handover Tiempo de interrupción (ms) Intra-frecuencia 27.5 Inter-frecuencia Dentro de una banda de frecuencia. 40 Entre bandas de frecuencia 60 De acuerdo con los resultados analizados anteriormente se puede concluir que LTE-avanzado cumple con los requerimientos de la ITU para IMT-avanzado.